Многозначная мера электрического сопротивления

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве суперпрецизионных многопредельных многозначных мер электрического сопротивления - проводимости Цель изобретения - увеличение пределов и количества показаний меры сопротивлений и проводимостей при повышении их точности . Многозначная мера содержит два операционных усилителя, магнитный компаратор токов, три масштабных управляемых мультирезистора, двухпозиционный переключатель на два направления при этом магнитный компаратор токов выполнен на двух магнитных сердечниках двух обмотках возбуждения, генераторе возбуждения, детекторной обмотке, детекторе баланса ампер-витков, регулируемой разрядной обмотке, регулируемой дополнительной обмотке, имеющей два регулирующих вывода 2 табл ,1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 В 27/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4724373/09 (22) 25.07,89 (46) 30.04.,92, Бюл. N. 16 (71) Кишиневский научно-исследовательский институт электроп риборостроения (72) А.М.Чернов, Е.Я.Бадинтер, И.И,Гришанов, С.К.Зотов и А,В.Торкунов (53) 621.317.732(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1224741, кл, G 01 R 27/00, 1984. (54) МНОГОЗНАЧНАЯ МЕРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве суперпрецизионных многопредельных многозначных мер электИзобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве суперпрецизионных многоп редел ьн ых многозначных мер электрического сопротивления и проводимости, Цель изобретения — увеличение пределов и количества показаний мер. сопротивления и проводимости при повышении их точности.

На чертеже представлена структурная электрическая схема многозначной меры сопротивления и проводимости.

Многозначная мера сопротивления и проводимости содержит магнитный компаратор 1 токов, выполненный на двух магнитных сердечниках 2 и 3, двух обмотках 4 и 5 возбуждения, генераторе 6 возбуждения, детекторной обмотке 7, детекторе 8 баланса ампер-витков, регулируемой разрядной обмотке 9, число витков которой устанавливается кодами-сигналами по каналу 10

„„. Ж„„1730598 А1 рического сопротивления — проводимости.

Цель изобретения — увеличение пределов и количества показаний меры сопротивлений и проводимостей при повышении их точности. Многозначная мера содержит два операционных усилителя, магнитный компаратор токов, три масштабных управляемых мул ьтирезистора, двухпозиционный переключатель на два направления. при этом магнитный компаратор токов выполнен на двух магнитных сердечниках. двух обмотках возбуждения, генераторе возбуждения, детекторной обмотке, детекторе баланса ампер-витков, регулируемой разрядной обмотке, регулируемой дополнительной обмотке, имеющей два регулирующих вывода, 2 табл.,1 ил.. управления, регулируемой дополнительной обмотке 11, требуемые числа витков секций

12 и 13 которой устанавливаются кодамисигналами соответственно по каналам 14 и

15 управления, операционный усилитель 16, дополнительный операционный усилитель

17, первый, второй и третий управляемые масштабные мультирезисторы 18, 19 и 20, управляющие каналы которыхявляются сигнальными входами 21, 22 и 23 для подачи сигналов управления, первый и второй токовые зажимы 24 и 25, первый и второй потенциальные зажимы 26 и 27, выходной зажим

28, двухполюсный переключатель 29 на два направления с каналом управления, который является входом 30 для подачи сигналов управления. Операционные усилители (ОУ) 16 и 17 имеют вход 31 для подачи сигналов управления компенсацией дрейфа нулей этих усилителей, причем входы 10, 14, 15, 21, 22, 23, 30 и 31 подключены к микро1730598 процессорной системе 32 управления, обработки-представления информации, Устройство работает следующим образом, Работа предлагаемой многозначной меры сопротивления и проводимости основана на преобразовании тока внешней цепи, поступающего в эту меру через токовые зажимы 24 и 25, в напряжение на выходе устройства между его зажимами 26 и 27, а также в напряжение между зажимами 28 и

27.

Этот ток !, протекая через мультирезистор 18, создает между зажимами 26 и 28 падение напряжения

U=1R1, (1) где R1 — сопротивление мул ьтирезистора 18.

Реагируя на сигнал (1), ОУ 16 устанавливает величину своего выходного тока l2 такой, что падение напряжения U2 на сопротивлении R2 мультирезистора 19 от этого тока становится равным сигналу (1), а именно:

IR = U1 = U2 = !1! 2 (2) откуда следует, что ток

I1=.IR1R г . (3)

При указанном на чертеже установе полюсов переключателя в первое направление ток I ОУ 16, протекая через обмотку 9, создает в сердечниках компаратора 1 магнитодвижущую силу (МДС), которая с помощью детекторной обмотки 7 и детектора

8 компенсируется встречной МДС, создаваемой обмоткой 11, через которую протекаЕт выхОднОй так !2 датЕктсра 8.

Ток !2 определяется из равенства ампер-витков в обмотках 9 и 11;

l1Wg = l2W11 (4) где и !2 — токи соответственно в обмотках

9и11;

Wg, W11 — количества витков соответственно обмоток 9 и 11, Из(4) следует, чтоток I2= !1W9W 11. (5)

-1

После подстановки (3) в (5) последнее принимает вид !

2 = !! 1! 2 Wg W 11. (6)

Ток 12, поступая на вход ОУ 17 с сопротивлением R3 мультирезистора 20 в цепи обратной связи этого ОУ, приводит к появлению на выходе последнего напряжения р, равного падению напряжения на сопротивлении R3

От така !2, а имЕннО

P = !2 3 = IR1R 2 3. (7)

Ранее при описании компаратора отмечалось:

1) обмотка 9 имеет поразрядное управление числом витков, т.е.

Wg = О, X1...Хь..Х7 W1, (8) где О/1 — сумма витков всех разрядов обмотки 9;

Х1...Х ...Х7 — показания 1...i ... 7-ro разрядов обмотки 9;

5 2) обмотка 11 имеет управляемые подстроечную и процентную секции 12 и 13, т.е. число W11 действующих ее витков может частично изменено в соответствии с уравнением

10 W11 = W2(1+ У+ У1У2, У3 10 ), (9) где W2 — число витков обмотки 11 при y = 0 и У1У2У3.10 = 0;

y — возможное относительное изменение числа витков секции 12 по отношению

15 W2 при подстройке компаратора 1, У1, У2, Y3 — показания 1, 2, 3-го разрядов процентной секции 13 обмотки 11, После представления (7) в виде

=! 1 2R3 (10) и подстановки в (10) взамен Wg и W11 их значений согласно (8) и (9) получим, что воспроизводимое (имитируемое) между узлами

ЗЗ и 34 сопротивление

Вя = = R1R Вз W1W2 О,Х1...Х,.Х7»

«(1 »-У» У1У2У3 10 6) . (11)

При современной технологии можно получить погрешности д 1, д 2, д 3 и д 4 от30 клонений действительных значений сопротивлений R1, R2, R3 и отношения витков

W1/W4 = N4 по сравнению с их номинальными расчетными значениями R1H R2H Взн и

N4H не более I 0,002 !, т.е. обеспечить пре35 дельную погрешность ддействительного значения масштаба R1R 2йзй4 шкалы (11) по отношению расчетного номинального значения этого масштаба

R1H 2Н ВЗН М4Н = IO Ом > (12)

40 где P — целое число или нуль, не более д MBKC=4 0,002 = 0,008 Oi (13) откуда очевидно, что для компенсациии д макс достаточно иметь регулировку у в пределах

45 -0,0100% у 0,0100 (14) с дискретностью 0,0001 .

При выполнении условия компенсации

1+ Д= 0 (15) выражение (11) можно заменить более удоб50 ным приближенным уравнением

R = 1 = О,х ...x;...xv 10 (1 йУ «газ" х10 ) OM, (16) допустив при этом погрешность упрощения

55 задачи дуа = ()макс ) =(10 ) = 10, (17) которая в 5 раз меньше погрешности отсчета единицы младшего разряда процентной секции 13 обмотки 11.

1730598

При установе переключателя 29 во второе положение(второе направление) полярность разности потенциалов умежду узлами 33 и 34 становится противоположного знака, т.е. в данном случае имитируется 5 (воспроизводится) сопротивление

Ru2 = = -О,Х1...Xi,X7 10 - (1

+ Y1Y2Y31О ) Ом (18)

В табл,1 наряду с (16) (вариант1) и (18) 10 (вариант 2) указаны еще четыре, т.е. всего шесть основных вариантов использования предлагаемого устройства, когда в качестве первого токового вывода (Т1), первого потенциального (П1), второго потенциального 15 (П2) и вторОГО тОкОВОГО (Т2) ВЫВОДОВ используются указанные в данной таблице для каждого варианта зажимы устройства.

При варианте 3 (табл.1) воспроизводимое описываемой мерой сопротивление 20 между узлами 34 и 35

Виз R1 + О Х1 .Xi...X710 и

I R1+У р

x(1 +- У1Y2 Yз.10 )Ом. (19)

При варианте 4 (табл.1) воспроизводи- 25 мое описываемой мерой сопротивление между узлами 34 и 35

Ruu = = R1 О,Х1...Хi...Х7 10 ° (1t

1R1 — Р

У1У2У 1О 6) 0М. (20) 3О

Варианты 5 и б (табл,1) представляют случаи двухзажимного включения во внешнюю цепь описываемой меры сопротивления и проводимости, когда к воспроизводимым сопротивлением R

Rwi добавляется так называемое нулевое сопротивление

Ro 0,01 Ом, (21) являющееся суммой сопротивлений соединительных проводников при нулевом пока- 40 зании меры в режиме воспроизведения сопротивления, С учетом изложенного воспроизводимое мерой сопротивление при варианте 5 (табл.1)

RP5 = Ro + RN) = Ro + В1 + О,X1...Xi...Х7 10 (1

"- У1У2Уз-10 )Ом, (22) а при варианте б (табл.1) сопротивление этой меры

RlI в= Rp+R

При двухзажимном использовании описываемой меры помимо нулевого сопротивления Р„ последней необходимо учитывать также сопротивление двух проводников для подключения меры к внешней цепи, т.е, итоговая поправка с учетом суммы указанных сопротивлений может быть порядка 0,010 Ом при вариации "=0,001 Ом.

Поэтому при точностях T = 10 — 10 эту меру

5 7 следует применять при двухзажимном подключении в случае воспроизведения его сопротивлений более 10 Ом, при потребности

4 воспроизведения сопротивлений менее 10

Ом следует использовать данную меру при четырехзажимном подключении к внешней цепи.

Компаратор 1 может в каждом разряде обмотки 9 иметь ступень .".1" с отдельным включением. Эти "отрицательные единицы" можно использовать для компенсации членов R1 в (19) — (23), т.е. для приведения последних к виду (16) или (18).

Представление результатов (16), (18)— (23) на дисплее 36 микропроцессорной системы 32 управления, обработки — представления информации не является новой операцией, поэтому не рассматривается.

Все возможные случаи программирования и оптимизации разных операций использования описываемой меры являются производными от основных вариантов табл.1. Часть из этих возможностей рассматривается далее для показа существенных отличий и преимуществ этой меры по отношению известных ее аналогов.

Предлагаемое устройство пригодно для воспроизведения сопротивлений (проводимостей) свыше 10 Ом (менее 0,1 См) при больших рабочих токах, т.е. для использования в электрических цепях в качестве суперпрецизионных квазирезисторов с мощностями рассеивания в 10 и более раз больше, чем у реальных измерительных резисторов согласно табл,2.

Пример 1. При О.X1...Х1 = 1 и 71У2У =

= О; R1 100ì(0,1Ах1В =0,1 Вт); 82=10

Ом (0,01Ах 1В = 0,01 Вт); Из= 10 Ом (0,01A х 10 В = 0,1 Вт) воспроизводимое мерой сопротивление к.1= R1R "2 вз 1=1010210з =10 ом(0,1А х 10B = 1 Вт) (24)

Пример 2. При О,Х1...Х7 = 1 и Y1Yz Y3-.

=O;

R1=1О0м(О,1Ах1В=О,1 Вт); Rz=10

0М (10 А Х 1В = 10. ВТ); Яз= 10 ОМ (10 Ал х 10 В = 0,1 Вт) воспроизводимое мерой сопротивление

RHI = R1R . 2 Вз 1 = 10 10 10 1 = 10 Ом (0,1Ах10 В =10 Вт). (25)

Пример 3. При О, X1...Х7 = 1 и У1У2Уз=

=О;

В4 = 10 Ом (0 1А х 1В = 0,1 Вт); Rz = 10

OM(10 Ах1В =10 Вт) Яз=10 Ом(10 А х 10 В = 10 Вт) воспроизводимое мерой сопротивление

1730598

R(ö = R R 2R) 1 = 10 10 10 = 10 Ом (0,1Ax10 В =10 Вт) (26)

Вообще данная мера может воспроизвести любое сопротивление (проводимость) из массива

О»(IXY,Y Х Щ И ) Q Х,...Xl,X> 40 (IRYYX Yq 11 )Ом (27)

".;...Хх О (l+Y,ХХ Х1 Я )O».

O X,. Х X, Ю ((-Y.Yg Х lp ) Ov.

С помощью микропроцессорной системы 32 любое из сопротивлений Rl).ìàñcèBà (27) можно представить на дисплее 36 в виде эквивалентной проводимости

Ои=R (28) т,е. преобразовать массив (27) в следующий массив проводимостей:

Xi,. Х, ° Xr О (ХХ Хх Х lp ) м

X „.„X;....X,.

Х „...Х,...,. (+,YÄY,.,.».! .му

Х „,.Х, Х,.<О- Х(lXYY»,У, Ю )С

Таким образом, микропроцессорная система 32 обеспечивает возможность использования описанного устройства в качестве меры проводимости, поскольку персонал 37 при помощи каналов 38 диалога может на дисплее 36 микропроцессорной системы 32 установить числовое значение требуемой проводимости 6и . Затем микропроцессорная система 32 сама произведет пересчет этой проводимости в эквивалентное сопротивление

R)(=G и (30) а также установ его величины в моделирующей цепи меры с отображением числового значения этой величины на дисплее отдельно или в виде выражения

R».0,X,...Х;...Х (О (1Х\»Хх Yx ip )дм °вЂ” (31)

Х Д„,.Х, iP "(lXХ,Y„Y, О.")Х

Уже в настоящее время производства новых средств измерения и их элементов требуется выполнение технологических и поверочных измерений не хуже стотысячных и миллионных долей результатов измерений.

На базе изобретения за счет его архитектуры (взаимного расположения и соединений составных частей) и выбора в качестве последних мультирезисторовтрансферов, современных ОУ с коэффициентом усиления более 10 и магнитного

7 компаратора с точностью Т 10, микров процессорной системы управления, обработки-представления информации могут быть выполнены сверхпрецизионные МНогопредельные многозначные меры электрического сопротивления и проводимости, пригодные для использования в промышленных условиях и на подвижных объектах, На базе. описанной меры может быть реализован как калибратор тока, так и калибратор напряжения идентичных классов точности, что и данная мера.

Формула изобретения

Многозначная мера электрического сопротивления содержащая операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой источников питания операционного усилителя, магнитный компаратор токов, выполненный на двух магнитных сердечниках с регулируемой разрядной обмоткой, первый вывод которой соединен с выходом операционного усилителя, детекторной обмоткой, выводы которой соединены с входами детектора баланса ампер-витков, один выход которого соединен с первым выводом дополнительной обмотки, а также первый и второй токовые зажимы, отличающаяся тем, что, с целью увеличения пределов и количества показаний меры сопротивлений и проводимости при повышении их точности, в нее введены первый и второй потенциальные зажимы, соединенные соответственно с первым и вторым токовыми зажимами, дополнительный операционный усилитель, первый, второй, третий масштабные управляемые мультирезисторы, двухполюсный переключатель на два направления, при этом магнитный компаратор токов дополнительно содержит генератор возбуждения и две обмотки возбуждения, соединенные последовательно и встречно между выходами генератора возбуждения, а дополнительная обмотка выполнена регулируемой, причем первый и второй выводы являются регулирующими, при этом второй регулирующий вывод регулируемой дополнительной обмотки и второй выход детектора баланса ампервитков через первый и второй нормально замкнутые контакты двухполюсного переключателя на два направления подключены соответственно к второму токовому зажиму и инвертирующему входу дополнительного операционного усилителя, а через первый и второй нормально разомкнутые контакты— соответственно к инвертирующему входу дополнительного операционного усилителя и второму токовому зажиму, при этом неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединен с общей точкой источников питания дополнительного операционного усилителя и с вторым токовым и потенциальным зажимами, первый токовый зажим соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, причем инверти1730598

10 резисторы соединены с вторым выводом регулируемой разрядной обмотки магнитного компаратора токов, являющимся выходным зажимом многозначной меры электрического сопротивления. рующий и неинвертирующий входы операционного усилителя и инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя через соответственно первый, второй и третий масштабные управляемые мульти- 5

Таблица

Основные варианты испольаовяния предлагаемого устро«ства

Подклюыение к внеиней цепи (Вц)

Вариант Т< П< 117 Т!

Полоыение Воспрпиявод>мое сопротивпе<не

<<4PG« lllO" наталя 29 (направление) +О Хи.. Х; ..Х,. 10 (1

-О<Х,,Х;„.Х, !О (i

+0 Х, Х;,Х - 10 (1

-0P., X;. / 1Oe (1

+О<Х,, Х;.Х !О (i

Р

-02" ...Х,,Х 10 (1

R«<

R«7

+ +R< Вив

+ R< Ви4

27

27

+ R<++Rа =

+ В< Вв R«á .Таблица 2

Зна гения рабочих токов ",я) (напрявений 0 1.8) дпя еезнстоаоа с сопротивлением К(ои) при ниц!мостах ".ассеяния =(Вт) ------------"--т

in f !О

ОЪ t 104 J !Оа (;O 1О

104 (!О <о

104

О <01 (.1, и

5,":И3 (3 О) . "-03

<5 nnn) 03 (3nn)

0,01 (100) 10

0 ""- 01 (1080) О,С003 (3nn) 0,0801 (1000) 0,003 (30) 0,1

G nnni (100)

0,00083 (30)

0,00001 (1О) 0.80003 (3СС) О 001 (10)

0,000! (3) п,0001 (i) О,О!

0,001 пппп! (100)

О 000003 (30) О, 0001

3 (3)

1 (i)

0,3 (0,3)

0,1 (0,1)

",03 (0,03)

0,01 (О, 01) 24 28

24 28

24 26

24 26

24

1 (1О)

0,3 (3)

0,1 (1)

0,п3 (0,3)

0,01 (0,1)

0,003 (0,03) 8,3 (38)

0,1 (! n)

0,03 (3)

0,С!

i1)

0,003 (0,3)

О,ÑÎ! (О, 1) 25

25 2

25 1

25 2

25 1

25 2

О,! (100)

0.03 (30)

0,0! (<С)

0,003 (3) р,пп! (i)

0,0003 (0,3) 0,0! (1000)

О,C03 (30n)

0,001 (100)

0,0003 (30)

0,ООО! (1О)

0,СОО03 (3) = У<Ус> < у< 2, +ТУ У

< у,у,у, у<у7 ъ еу.< ут

10 )Ом

10 )Ои !

О )О

10 )Си

10 )Ои

10 )Ои

О.ОС23 <510. 8) и ОС01 (10000)

0,00003 (3000)

0,00001 (1000)

0,000003 (300)

О 000001 (100) n,с004 (100000)

0,00003 (30000)

О,ОС001 (10000)

0,000003 (3000)

0,000001 (1000)

0,0000003 (300) 0,00003 .(300000)

0,ОООО! (i0000О)

0,000003 (30000)

О 000001 (!ОООО) .

0,0000003 (3000)

0,0000001 (1000) 1730598

27

Составитель А.Чернов

Редактор М.Петрова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н.Тупица

Заказ 1511 Тираж Подписное

BÍÈÈÏÈ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101